潮流能发电及潮流能发电装置汇总

1、潮流能发电与潮流能发电装置戴庆忠摘要潮流能发电是利用潮汐动能的一种发电方式。由于潮流能发电不需要筑坝 拦水，具有对环境影响小等许多优点。因此，近年来潮流能发电引起许多国家 重视，潮流能发电技术开展很快。本文从分析潮流能的特点入手，介绍了国外潮 流能发电的近况，重点介绍目前出现的各种潮流能发电装置，包括水平轴潮流能水轮 机、竖井潮流能水轮机、振荡水翼式潮流能装置等。关键词潮汐潮流能潮流能水轮机潮流能发电1前言1.1潮流能的特点潮流主要是指伴随潮汐现象而产生的有规律的海水流，潮流每天两次改变其大小和方 向。而潮流能发电那么是直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进展发电。众所周知，潮汐是海水在月

2、球、 太阳等引力作用下形成的周期性海水涨落现象。潮汐现象伴随两种运动形态： 一是涨潮和落潮引起的海水垂直升降，即通常所指的潮汐； 二是海水的水平运动，即潮流。前者(海水垂直升降)所携带的能量(潮汐能)为势能；而后者所携带的 能量(潮流能)为动能。可以说，两者是与潮汐涨落相伴共生的挛生兄弟。对前者，可以采用类似河川水力发电的方式，筑坝蓄水发电；而对本文所介绍的潮流能， 可以采用类似于海流发电方式，利用潮流的动能发电。与常规能源比拟，潮流能有以下特点：(1)潮流能是一种可再生的清洁能源。(2)潮流能的能量密度较低(但远大于风能和太阳能)，但总储量较大。(3)与海流能不同，潮流能是一种随时间、空间而

3、变化的能源，但其变化有规律可循， 并可提前预测预报。(4)潮流能发电不拦海建坝，且发电机组通常浸没在海中，对海洋生物影响较小， 也不会对环境产生三废污染，不存在常规水电建立中头疼的占用农田、移民安置等诸多问题。(5)与陆地电力建立相比，潮流能开发环境恶劣，一次性投资大，设备费用高，安装维护和电力输送等都存在一系列关键技术问题。1.2 潮流能水轮机输出功率的计算潮流能机组输出功率的计算公式为：式中 P功率，W 海水密度，1025kg/m3A潮流水轮机转子扫掠面积，m2V 潮流速度，m/s-效率从上述可以看出，潮流能机组的输出功率很大程度决定于潮流速度。一般来说，潮流 速度大于1m/s的海域即有开

4、发价值。1.3 世界潮流能储量与分布潮流能主要集中在近海浅水海域，特别是海峡、水道和湾口处。根据联合国科教文组织估计，世界可开发利用的潮流能总量约为3亿kW世界上潮流能储量丰富的地区包括中国、英国、日本、国、新西兰和加拿大等地区。1.3.1国外潮流能丰富的地区英国威尔士的 Pembrokeshire海域英国威尔士与英格兰间的赛文河(Severn)新西兰的Cook海峡新西兰的Kaipara 港口加拿大的芬地(Fundy)湾美国的东河(East River)美国旧金山的金门海峡美国新罕布夏州的 Piscataqua河英国Channel岛的Aldemey水道和Swinge水道英国格兰Islay 与J

5、ura之间的艾拉(Islay) 海峡英国格兰 Caihness岛与Orkney岛之间的Penlland峡湾 美国加州的Humboldt县美国-墨西哥间的墨西哥湾国全罗南道海域日本漱户海，特别是来岛海峡 日本岛与本岛之间的津轻海峡 1.3.2中国潮流能储量与其分布中国潮流能十分丰富。根据对130个水道统计，理论平均功率为13948.2MW按海区分，以东海沿岸最多，有 95个水道，理论平均功率为10958.15MW(占全国总量的78.6%,其次是黄海沿岸(12个水道，2308.38MW)o南海沿岸较少(23个水道，681.99MW)。按省区分，以 省沿岸最多(37个水道，7090.28MW),占全

6、国一半以上，其次是、和。中国沿海潮流能密 度较高的水道有：湾北部(28.99kW/m 2)、金塘水道(25.93kW/m2)、龟山航道(23.89kW/m 2)、舟侯门水道(19.08kW/m2)、渤海海峡老铁山北侧(17.41kW/m2)、三都沃三都角西北部(15.1kW/m2)、北隍城北侧(13.69kW/m2)、长江口北港(10.30kW/m 2),以与澎湖列岛渔翁岛西 南(13.69kW/m2)。特别是群岛，许多地方潮流速度到达4m/s以上，世界罕见，开发环境和条件很好，适宜建立大型潮流电站。2国外潮流能发电现状2.1 国外潮流能发电的研究与开发人类对潮流现象的观察、认识由来已久。但是

7、，基于各种原因，直到 1970年代，人类 才开场研究潮流能的利用问题，近年来才开场重视潮流能发电的开发与规划建立问题。美国是世界上最早开展海流发电研究的国家之一。1973年美国首先提出在佛罗里达海域采用“科里奥利斯巨型海流发电装置发电的案，该方案为一种管道形水轮发电机，机组长110m,管道口径170m,装置布置在水平面以下30m处，当海流速度为2.3m/s时，可以发电83MW 1985年，美国在佛罗里达的墨西哥湾进展了2kW海流水轮机试验。同年美国UEK公司设计制造了一台 20kW的发电装置，在纽约市东河吊桥上进展了潮流能发电试验。2002年，美国绿色能源 (Verdant Power) 公司

8、启动了 RITE(Roosevelt Island Tidal Energy) 工 程，工程在纽约东河中进展。该项目分三个阶段：2002年2006年为模型测试阶段；20062008年为示验证阶段；20092012年，在东河中安装30台水下潮流发电机组，向电网输送10MWH力。该项目示验证阶段已经完成。目前，Verdant Power公司又启动了 CORE(CornwallOntario River Energy） 项目，该项目位于美国-加拿大的安大概湖，计划装机 15MW 2009 年4月，爱尔兰OpenHydro公司与美盛顿州签署潮流能试点项目合同，将安装3台OpenHydro公司的空心贯流

9、式潮流能机组，预计工程在2011年建成发电。挪威从2003年开场在Kvlsund建立潮流电站，2009年完成模型机组测试，投入运行。 2010年将安装投运单机1MW勺潮流机组。法国2008年完成了 Hydrohelix公司3m直径潮流能水轮机的测试。法国计划建立36 座潮流能发电站。新加坡对潮流能发电很重视。新加坡Atlantis Resources公司是世界上著名的潮流能装置开发商之一。公司开发了两种型号的潮流能机型。Nereus机型用于浅海海域（小于25m）,目前150kMD 400kW机组已完成测试，正为挪威开发1MVWL组；Solon机型用于深海海域（大 于25m）,500kW机组20

10、08年8月完成测试，正开发 2MWWJL组。加拿大大不列颠哥伦比亚潮汐能能源（BC Tidal Energy） 公司与英国MC隹司合作，计划在温哥华 Campbell河建立至少装机 3台SeaGen型1.2MW机组的潮流能发电场；2009年4 月，加拿大新斯科帝亚动力（Nova Scotis Power）公司与英国Open Hydro公司签订合同，在芬地湾（Fundy）建立一个1MW勺潮流能发电站。国是一个化石能源贫乏的国家。近年来对潮汐能源的开发不遗余力。除拦坝蓄水建立大型潮汐电站外，对潮流能发电也情有独钟。2005年，国就开场在全罗南道珍岛郡（Jindo）的Uldolmok海峡建立第一座潮

11、流能发电站，2009年5月，首台1MW勺Gorlov型潮流能机组投入商业运行，按照规划，2013年底前，总共将安装 90台1MW勺Gorlov型潮流能机组，使Uldolmok潮流能发电场的总装机容量到达90MW另外，2008年3月，国Midland动力公司与英国月能（Lunar Energy）公司合作，在全罗南道莞岛郡（Wando）的Hoenggan建立一座巨型 潮流能发电场，计划安装300台1MW勺潮流能发电装置。2009年，1MW的样机已经通过测试， 整个工程计划于 2015年完工。2.2 中国潮流能发电研究中国是世界上最早开展潮流能发电试验的国家之一。1958年在大跃进的热潮中，县水电局

12、在桂畔海水闸进展了潮流能发电试验。试验水轮机转子直径0.6m,长4.5m, 两台装置均可在流速1m/s与以上的潮流下发电，但发电功率较低，仅700W左右。同年冬天，水利科学研究所在荣城县斜口湾进展了潮流能发电试验，在两台相连的船上安装两台水轮机（直径0.8m,长2.78m）,带动一台5kW的发电机发电，但由于结构设计不当，在最大流速 0.8-0.9m/s时，输出电压也缺乏 200V,只能带动一台石磨用于粮食加工。1969年，有关单位在长江大桥下进展了水流发电试验，试验采用3台5m的螺旋桨式水轮机，当水流速度 1.3m/s时，水轮机转速为15r/min ,水轮机水力效率可达 50虬右，水 轮发电

13、机输出功率可达 7kW我电机*本轮机口”1水沱机潮流发电船图1潮流发电船市的农民企业家何世钧是我国自费开展潮流能发电研究的第一人。面对丰富的潮流能资源，何世钧潜心研究潮流能发电，1978年，他将两台卧式螺旋桨水轮机装在一只船的船尾，通过油压传动带动发电机发电。当潮流速度 3m/s时，机组输出功率达 5.7kW。1980年代，、一些单位进展过千瓦级潮流能发电船(图1)的试验。潮流发电船利用潮流冲击安装在锚定船舶两侧的水轮机转动发电。1980年代初，工程大学等采用漂浮系泊式立轴自调直叶片摆线式双转子水轮机方案，开场潮流能发电研究。1980年代中期完成1kW样机装置。接着完成了 10kW潮流能实验电

14、站 的设计研究，最后于 2000年建成70kW潮流能实验电站。2002年4月，中国第一座70kW潮 流能实验电站在市岱山县龟山水道建成发电。“十五”(20012005)期间，工程大学在国家“ 863工程”支持下，研制了40kW海底固定式垂直轴潮流能发电系统，2006年在岱山县高亭港试运行。此外，东北师大学 2008年研制成功1kW水下漂浮式水平轴潮流能发电装置；中国海洋大学和机械科学研究总院 2008年研制成功5kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置；大学2009年研制成功25kW固定式水平轴潮流能发电装置。此外，从1997年起，意大利阿基米德桥公司联合英国爱丁堡大学和意大利那不勒斯大学，与中国国家

15、海洋局第二海洋研究所、哈工大和省情报所等单位合作，开展“潮流能开发技术可行性研究'。合作双方完成了海域的金塘、西侯门和龟山三个强潮流能水道的潮流资 源调查，并推荐龟山水道为最正确试验水道；对欧方提出的“KOBOL D竖轴可调叶片水轮机进展了适应潮流能特性的选型研究。目前我国潮流能发电研究已进入实海况的应用示研究阶段。“150kW潮流能电站关键技术研究与示''作为我国六大海洋能开发利用重点项目之一，已纳入国家中长期科学技术开展规划纲要(20062020),正组织实施中3 潮流能利用技术潮流能发电技术是近年来开展迅速的新技术。潮流能发电装置的关键技术是潮流能获取装置。近一、

16、二十年来，人们提出了五花八门的潮流能获取系统，但大局部为旋转类水轮机。又由于潮流能发电和风力发电都是利用流体的动能发电，故许多潮流能获取装置的灵感都来源于各种风力机，采用了许多类似风力机的结构。目前，潮流能获取装置的种类繁多，可以按图2大致归类。风车式水平轴潮流能水轮机空心贯流式导流罩式潮流能获取装置直叶片式竖轴潮流能水轮机螺旋叶片式升力-阻力型潮流能装置导流罩式Savonius式水轮机柔性叶片式水轮机振荡式水翼潮流能装置 其他形式潮流能装置图2潮流能获取装置的分类在图2所示的各型潮流能获取装置中，以水平轴潮流能水轮机应用最多，竖轴潮流能水轮机次之。因此，下面重点介绍水平轴和竖轴式潮流能水轮机

17、。3.1 水平轴潮流能水轮机水平轴潮流能水轮机又称轴流叶轮水轮机，这种水轮机类似于常见大型风力机，其水流方向与旋转轴平行，利用水流推动叶轮旋转桨叶发电。水平轴潮流能水轮机又可按结构分为风车式、空心贯流式和导流罩式。3.1.1 风车式潮流能水轮机（水下风车）风车式潮流能水轮机是目前技术比拟成熟、开展最快的机型。风车式潮流能水轮机的工作原理和结构都与现代风力机类似，其水轮机翼型叶片可以是固定的，也可以是可调的。风车式潮流能水轮机结构简单，稳定性较好，获能系数较高。目前，风车式潮流能水轮机已为许多公司所推崇采用，其主要代表有英国洋流水轮机公司（Marine Current Turbines,Ltd.

18、,MCT）、英国 SMD司和美国绿色能源公司（Verdant Power Co.）公司等。英国MCT公司是当代潮流能发电技术的领航者。该公司于2000年由英国IT动力（ITPower）公司、Seacore公司、Bendalls 公司和 Corus英国公司共同出资组建而成。而 IT动 力公司是一家著名英国咨询公司，该公司从1990年代中期开场研究潮流能发电。MCT公司成立后，规划分三阶段开发风车式潮流能水轮机。第一阶段代号为“SeaFlow”,在英国德文郡的Lynmouth研制一台300kW潮流能发电装置（图3）,该装置水轮机转子直径11nl于2003年5月建成发电；第二阶段的代号为“SeaGe

19、n”,研制了一台1.2MW朝流能发电装置（图 4、图5）。2008年5月，世界上首台商用潮流能发电装置一一1.2MW“SeaGeh'在北爱尔兰Strangford 湖并网投入运行；第三阶段从2009年开场，实现1.2MW“SeaGeh'水轮机的小批量生产。目前，MCT公司正为北威尔士和加拿大批量生产1.2MWSeaGe甫勺潮流能发电机；为威尔士 Anglesey岛潮流电场制造7台15MWI车式潮流发电机组，首台机组预计2011年投运发电。图3 SeaFlow型300kW朝流能发电装置图4 SeaGen型1.2MW朝流能发电装置（水轮机浸没于海水中）1.2MW“SeaGen机组是

20、目前世界上投入商业运行的最大潮流能发电机组。该机组额定功率1.2MW觊已超发）。水轮机转子直径16ml额定流速2.25m/s ,最低工作流速为 0.7m/s , 设计获能系数 0.45 ,装置传动比为 69.9 ,水轮机转子额定转速为14.3r/min 。潮流发电装置的桩柱高40.7m,直径3.025m,横梁长29ml整个装置包括 2台可调双叶片式水轮机，分 别固定在横梁的两端。“SeaGen"水轮机的叶片可 180o变距，因此机组在退潮和涨潮时均 可发电。英国潮流（Tidal Stream）公司开发了一种称为 “Triton ”的潮流能发电装置。“Triton " 机组与

21、“ SeaGen'机组异曲同工。英国潮流能公司已在法国沿海对3m高的原型装置进展了测试（图6）,预计全尺寸60m高的“Triton "机组可以发电10MW图5 SeaGen型1.2MW朝流能发电装置（水轮机提升到海面以上）图6正在海下进展测试的“ Triton ''型潮流能发电装置德国Voith公司研制的1MWK平轴潮流发电机组见图7。此前，该公司曾为国研制同型号白300kW机组。图7德国Voith公司研制的300kW水平轴潮流能发电装置英国SMD Hydrovision 设计的“ TidEL''风车式潮流能水轮机见图8。单个转子的旋转直径为1

22、8.5m,在流速2.3m/s下可以发电1MW英国洋流能源公司（Ocean Flow Energy, OFE） 在北爱尔兰 Strangford 测试了一种称为 Evopod的半潜式潮流能发电装置样机（图9）。图8英国SM必司的TidEL型1MVWK平轴潮流能水轮机图9英国OFE公司的Evopod型潮流能发电装置美国绿色能源（Verdant Power）公司在Roosevelt岛潮汐工程（RITE）中采用固定式倾角 式三叶式风车式水轮机（图10）。水轮机转子直径 5m,额定流速2.2m/s ,额定功率35.9kW。 机组于2007年投入运行。但因设计不当，运行中叶片断裂，后采取加强措施，于 20

23、08年9 月重新投入运行。图10美国绿色能源公司的三叶片水平轴潮汐能水轮机挪威Hammerfest Storm公司研制了底座式三叶片水平轴潮汐能水轮机（图11）。模型机于2003年在挪威Kvalsund安装，经四年运行测试，已正式并网发电。现正在研制1Mm尺 寸样机HS100Q图11挪威Hammerfest Storm 公司的水平轴潮流能发电机法国Hydrohelix 公司于2008年完成了转子直径 3m的水平轴水轮机的测试 （图12）。图12法国Hydrohelix 公司的水平轴潮流能水轮机1.1.2 空心贯流式潮流能水轮机空心贯流式潮流能水轮机的代表是爱尔兰Open Hydro公司和加拿大

24、Cleaner Current公司。爱尔兰Open Hydro公司开发的空心贯流式（该公司命名为 Open-Centre）水轮机如图13 所示。该潮流发电装置无轴，由固定的外部环和部的旋转盘组成，两局部上分别布置线圈和永磁铁，组成一台永磁发电机。Open Hydro公司研制的250kW示样机已在Orkney岛成功并网发电，目前该公司正研制1520kW双转子空心贯流式潮流能水轮机，其转子直径达15m,额定流速2.57m/s 。图13 爱尔兰Open Hydro公司250kW“Open Centre "型空心贯流式潮流能水轮机加拿大 Cleaner Current Power（CCP）公

25、司研制了一台双向带聚流罩的空心贯流式水轮机，如图14所示。与“ Open Centre ''类似，该水轮机本身构成一台永磁发电机。水轮机转 子直径3.5m,额定功率65kW另外，该公司还设计了一台1MW强心贯流式水轮饥，其转子直径17m,额定流速为2.65m/s。图14加拿大CCP公司的空心贯流式潮流能水轮机1.1.3 导流罩式水平轴潮流能水轮机导流罩具有导流、聚能的(Lunar Energy)公司、美这种水轮机是在水平轴水轮机转子叶轮外面增加一个导流罩。作用，可以使通过水轮机的水流能量更加集中，获能效果更高。目前采用导流罩式潮流能水轮机技术的主要公司有：英国月能 国水下风筝(

26、Underwater Electric Kite,UEK) 公司和新加坡 Atlantis Resources 公司等。英国Lunar Energy 公司潮流能发电装置技术来源于英国 Rotch公司的 RTT(Rotech Tidal Turbine) 技术。该公司设计的 1MV#流罩式潮流能水轮机2007年完成了全尺寸装置试验，该装置如图15、16所示。导流罩的直径为15m,长度为19.2m；水轮机转子直径11.5m。 另外，该公司与 EON作，1t划在2010年建立一座8MW勺潮流能商业电站。另外，公司正 在开发2MV#流罩式水轮机，其导流罩的直径为25nl水轮机转子直径为 19.5m。2

27、008年，Lunar Energy公司与国Midland动力公司签订协议，将为国全罗南道莞岛郡Hoenggan水道潮流能电场提供300台1MW(K轮机直径11.5m)潮流能发电装置，工程预计在2015年完工。图15英国月能公司的导流罩式水平轴潮流能水轮机图16英国月能公司的1MW导流罩式水平轴潮流能水轮机美国UEM司开发的导流罩式水轮机，采用叶片固定的双转子结构，该公司研制了一台400kW导流罩式水平轴水轮机，其导流罩最大直径5.18m,水轮机转子直径 4m见图17。图17美国UEK公司的400kW导流罩式水平轴潮流能水轮机新加坡Atlantis Resources 公司开发了一种深海海域的

28、Solon型潮流能机组（图18）。 它是一种带导流罩的卧式水平轴潮流能发电机组，500kW Solon型机已于2008年通过运行测试，现在开发 2MWL组。图 18 新加坡 Atlantis Resources公司的Solon型导流罩式潮汐能水轮机17 / 173.2 竖轴潮流能水轮机竖轴潮流能水轮机又称横流叶片式水轮机，其工作原理与达里厄（Darreius）式竖轴风力机相似，水流方向与叶轮旋转轴垂直 （横流），桨叶有直叶片（与旋转轴平行）和螺旋形叶片两 种。直叶片竖轴潮流能水轮机技术的代表是加拿大蓝能 司的竖轴潮流能发电装置的示意图。 从图中可以看出, 与转轴平行，水轮机通过齿轮增速箱与上部

29、发电机相连。（Blue Energy）公司。图19为蓝能公位于下部的水轮机的叶片呈圆周分布，水轮机转子置于一导流罩中。目前,蓝能公司竖轴潮流能水轮机的最大单机功率为250kW（图20）。加拿大蓝能公司直叶片竖轴潮流能水轮机示意图图20加拿大蓝能公司2 X 250kW竖轴潮流能水轮机螺旋形叶片竖轴潮流能水轮机的另一个典型机型是美国Gorlov螺旋水轮机（GorlovHelical Turbine）设计的螺旋叶片潮流能水轮机（图21）。Gorlov式透平机是美国波士顿西北大学开发的一种机型，它是达里厄（Darreius）式的一种变型。2009年5月，1MW Gorlov式潮流能发电装置在国全罗南道

30、珍岛郡的Uldolmoke潮流能发电场（图22）投入运行。这是世界上投入商业运行的首台竖轴潮流能水电机组。按照规划，该潮流能发电场将在2013年前共投产90台机组，使电站总装机容量到达90MW图21美国GHT公司的Gorlov型螺旋叶片式竖轴潮流能水轮机图22国全罗南岛珍岛郡 Uldolmok潮流能发电站场将装 90台1MW5轴式水轮机）英国海王星再生能源（Neptune Resources）公司也是一家著名竖轴潮流能水轮机开发公 司。图23和图24为该公司的Proteus型竖轴潮流能水轮机。该装置主要由转子和导流罩组成。导流罩带有导叶，可以改变流向，减小反向力矩，提 高获能效率。图23英国海

31、王星再生能源公司的Proteus型潮流能装置813图24英国海王星再生能源公司Proteus型潮流能装置的示意图同水平轴潮流能水轮机一样，为了提高聚流能力，有的竖轴潮流能水轮机也装有导流罩, 如图19,23,24,25 所示。图25装有导流罩的竖轴式潮流能水轮机意大利阿基米德桥(Ponte di Archimed, PDA) 公司从1996年起开展墨西哥海峡潮流能 发电研究，设计的 KOBOLT&是一种直叶式竖轴潮流能水轮机(图26,27)。2003年PDA公司在墨西哥湾投运了世界上首台120kW的KOBOLT1竖轴式潮流能水轮机，其水轮机直径6m，KOBOL机型。高5ml意大利与中国

32、合作开发的潮流能发电机组也推荐采用图26意大利PDA公司KOBOLT1潮流能水轮机示意图图27意大利PDA公司KOBOLT1竖轴潮流能水轮机3.3 其他型式潮流能获取装置除上述目前应用较多的水平轴潮流能水轮机和竖轴潮流能水轮机外，国外还提出了许多其他型式的潮流能获取装置，下面择其局部简介如下。3.3.1 振荡式水翼潮流能装置图28为英国工程事务公司(Engineering Business, EB)设计的一种振荡式水翼潮流能装置“Stingray 。翼型水翼通过摆臂连接，当水流流过时，升力和阻力使水翼上升，使摆 臂上下摆动，驱动液压马达发电。2003年，一台150kW振荡式水翼潮流发电装置在格

33、兰海域进展了测试。图28英国EB公司的振荡式水翼潮流能装置图29为英国脉动发电(Pulse Generation)公司设计的振荡式水翼潮流能装置。100kW装置已完成了测试，目前正开发1MW商用装置，预计2012年投产发电。图30为澳大利亚生物动力(Bio Power)公司的振荡式水翼潮流能装置。图29英国脉动发电公司的振荡式水翼潮流能装置图30澳大利亚生物动力公司的振荡式水翼潮流能装置3.3.2 Savonius型潮流能装置瑞典海力(Seapower)公司在Savonius风力机根底上设计了一种阻力型潮流能水轮机 “EXIM”(图31)。图32为Savonius叶片形状。从图32可以看出，该水轮机的轴截面呈